The focus of this research is on deriving small signal stability models for different Flexible AC Transmission Systems devices by introducing a simple systematic method that is applicable to any dynamic device. Two different small signal models for Unified Power Flow Controllers are introduced. One model is called the power control mode and the other model is the voltage control mode. The two models are compared from transient stability point of view to show the necessity of developing both models for UPFC. The thesis also shows how to derive the small signal stability model of Static Synchronous Compensator, as the shunt branch of UPFC. The small signal stability models of both devices are then validated to ensure the accuracy of the derived models. STATCOM and UPFC power control mode are validated against PSCAD. The UPFC voltage control mode is validated against nonlinear solution of system equations.

In the past decade, the development of wireless communication technologies has made the use of the Internet ubiquitous. With the increasing number of new inventions and applications using wireless communication, more interference is introduced among wireless devices that results in limiting the capacity of wireless networks. Many approaches have been proposed to improve the capacity. One approach is to exploit multiple channels by allowing concurrent transmissions, and therefore it can provide high capacity. Many available, license-exempt, and non-overlapping channels are the main advantages of using this approach. Another approach that increases the network capacity is to adjust the transmission power; hence, it reduces interference among devices and increases the spatial reuse. Integrating both approaches provides further capacity. However, without careful transmission power control (TPC) design, the network performance is limited. The first part of this thesis tackles the integration to efficiently use multiple channels with an effective TPC design in a distributed manner. We examine the deficiency of uncontrolled asymmetrical transmission power in multi-channel ad hoc wireless networks. To overcome this deficiency, we propose a novel distributed transmission power control protocol called the distributed power level (DPL) protocol for multi-channel ad hoc wireless networks. DPL allocates different maximum allowable power values to different channels so that the nodes that require higher transmission power are separated from interfering with the nodes that require lower transmission power. As a result, nodes select their channels based on their minimum required transmission power to reduce interference over the channels. We also introduce two TPC modes for the DPL protocol: symmetrical and asymmetrical. For the symmetrical mode, nodes transmit at the power that has been assigned to the selected channel, thereby creating symmetrical links over any channel. The asymmetrical mode, on the other hand, allows nodes to transmit at a power that can be lower than or equal to the power assigned to the selected channel. In the second part of this thesis, we propose the multi-channel MAC protocol with hopping reservation (MMAC-HR) for multi-hop ad hoc networks to overcome the multi-channel exposed terminal problem, which leads to poor channel utilization over multiple channels. The proposed protocol is distributed, does not require clock synchronization, and fully supports broadcasting information. In addition, MMAC-HR does not require nodes to monitor the control channel in order to determine whether or not data channels are idle; instead, MMAC-HR employs carrier sensing and independent slow channel hopping without exchanging information to reduce the overhead. In the last part of this thesis, a novel multi-channel MAC protocol is developed without requiring any change to the IEEE 802.11 standard known as the dynamic switching protocol (DSP) based on the parallel rendezvous approach. DSP utilizes the available channels by allowing multiple transmissions at the same time and avoids congestion because it does not need a dedicated control channel and enables nodes dynamically switch among channels. Specifically, DSP employs two half-duplex interfaces: One interface follows fast hopping and the other one follows slow hopping. The fast hopping interface is used primarily for transmission and the slow hopping interface is used generally for reception. Moreover, the slow hopping interface never deviates from its default hopping sequence to avoid the busy receiver problem. Under single-hop ad hoc environments, an analytical model is developed and validated. The maximum saturation throughput and theoretical throughput upper limit of the proposed protocol are also obtained.

The trend towards personalized ubiquitous computing has led to the advent of a new generation of wireless technologies, namely wireless body area networks (WBANs), which connect the wearable devices into the Internet-of-Things. This thesis considers the problems of relay selection and power control in fading WBANs with energy-efficiency and security considerations. The main body of the thesis is formed by two papers. Ideas from probability theory are used, in the first paper, to construct a performance measure signifying the energy efficiency of transmission, while in the second paper, information-theoretic principles are leveraged to characterize the transmission secrecy at the wireless physical layer (PHY). The hypothesis is that exploiting spatial diversity through multi-hop relaying is an effective strategy in a WBAN to combat fading and enhance communication throughput. In order to analytically explore the problems of optimal relay selection and power control, proper tools from game theory are employed. In particular, non-cooperative game-theoretic frameworks are developed to model and analyze the strategic interactions among sensor nodes in a WBAN when seeking to optimize their transmissions in the uplink. Quality-of-service requirements are also incorporated into the game frameworks, in terms of upper bounds on the end-to-end delay and jitter incurred by multi-hop transmission, by borrowing relevant tools from queuing theory. The proposed game frameworks are proved to admit Nash equilibria, and distributed algorithms are devised that converge to stable Nash solutions. The frameworks are then evaluated using numerical simulations in conditions approximating actual deployment of WBANs. Performance behavior trade-offs are investigated in an IEEE 802.15.6-based ultra wideband WBAN considering various scenarios. The frameworks show remarkable promise in improving the energy efficiency and PHY secrecy of transmission, at the expense of an admissible increase in the end-to-end latency.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse est basé sur l’étude du protocole de communication par satellite appelé « Enhanced Spread Spectrum Aloha » (E-SSA) et créé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2009. Il s’agit d’une technique qui permet à un terminal d’envoyer des messages courts par satellite de manière totalement asynchrone. L’intérêt est de maximiser l’efficacité spectrale tout en gardant une complexité minimale du terminal grâce aux techniques d’étalement de spectre et d’annulation d’interférences (SIC). Alors qu’au départ le protocole E-SSA avait pour but d’apporter un support physique pour des applications destinées à des terminaux mobiles en bande S, les développements se sont récemment étendus à une gamme de terminaux fixes dans des bandes de fréquence différentes (C, Ku ou Ka). À partir de ces deux modèles d’utilisation de l’E-SSA, ce travail de recherche se concentre sur la mise en place de solutions techniques permettant d’augmenter significativement la capacité globale du système. Cela est possible à travers une optimisation des différents paramètres du protocole et la conception d’algorithmes de gestion des puissances des terminaux. / The work presented in this thesis focuses on the satellite communication protocol named “Enhanced Spread Spectrum Aloha” (E-SSA) and developed in 2009 by the European Space Agency (ESA). The E-SSA structure, based on fully asynchronous random access, perfectly copes with low-duty cycle bursty transmissions adapted to satellite messaging. High performance in terms of spectral efficiency is possible by exploiting iterative successive interference cancellation (SIC) while keeping minimal complexity at the terminal side. If the first exploitation of the protocol concerned mobile applications in S-band, it has been extended to fleets of fixed terminals in other frequency bandwidths (C, Ku or Ka). Starting from these two scenarios, this thesis proposes different innovations to further boost the E-SSA global system capacity. These technical solutions particularly include a fine optimization of protocol parameters and new power control algorithms.

Orientador: Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014. / A energia eólica tem seu interesse aumentado nos últimos anos como uma das mais importantes fontes de energia renováveis devido a sua característica ecologicamente correta. Um dos componentes principais do sistema de geração eólica é o aerogerador, que deve ser capaz de operar com velocidade variável do vento e deve estar conectado à rede elétrica mesmo com a presença de distúrbios elétricos, como afundamento de tensão. Este trabalho apresenta uma proposta de controlador direto de potência do tipo deadbeat para o Gerador de Indução com Dupla Alimentação (GIDA), onde tem-se seu estator conectado diretamente à rede elétrica e o seu rotor, conectado à rede elétrica com o emprego de um conversor bidirecional. O controlador proposto é projetado a partir do modelo matemático dinâmico discreto do GIDA para trabalhar durante a ocorrência de afundamentos de tensão sem o emprego de crowbar e sem danificar a máquina de indução. O GIDA e o controlador direto de potência deadbeat foram simulados com o emprego do pagote Simulink® do Matlab® e os resultados desta simulação são apresentados nesta dissertação, incluindo a operação do GIDA durante afundamento de tensão trifásico equilibrado. Para comprovar a capacidade de operação durante afundamento de tensão, foram realizados testes em bancada com o controlador direto de potência proposto e os resultados experimentais apresentados validam a correta operação do controlador direto de potência deadbeat na condição de falha da rede. / Wind energy is gaining interest in the last years as one of the most important renewable sources of energy due to its ecofriendly nature. One of the main components of the wind energy system is the wind generator, which must be able to work with variable wind speed and have to be connected directly to the grid even during faults, like symmetrical sag. This work presents a proposal of a direct power control deadbeat for Doubly-Fed Induction Generator (DFIG), where its stator is connected directly to the grid and its rotor is connected to the grid trough a bidirectional converter. The proposed controller is designed using the mathematical discretized dynamic model of DFIG, with the goal to withstand its operation during sag with no crowbar and avoiding damage to the induction machine. The DFIG and the direct power controller deadbeat were simulated using the suite Simulink® from Matlab® and the results are presented in this work, including the DFIG operation during symmetrical sag. For assuring the performance of the controller during sag, practical results with the proposed direct power controlled were performed using a test bench and the final results validate the correct design of the proposed deadbeat direct power controller.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The purpose of this work is to present an active and reactive power flow controller applied to inverter paralelism with the stiff AC system. An additional loop is implemented into a conventional control loop based on the characteristic curves of active power versus frequency and reactive power versus voltage. This loop uses the active power variation as feedback to generate the load angle of the voltage reference of the inverter, when it is connected in parallel with the electric network. As a consequence, the active and reactive transitory power oscillations are atenuated, without producing undesirable colateral effects as significative voltage and reactive power variations presented in the utilization of PSS (Power System Stabilizer), another technique used to improve the system damping, [Martins, M. P., 2004]. A dynamic model of the system based on the small signal analysis is presented. The root locus graphics, showing the system poles under parametric variations are also presented, allowing the analysis of the system stability. The simulation results and the experimental ones using a laboratory prototype with and without the additional loop are showed, which validate the obtained small signal model. / Este trabalho apresenta um controlador de fluxos de potência ativa e reativa aplicado ao paralelismo de um inversor com a rede elétrica. Uma malha adicional de controle é inserida a um controlador convencional, o qual é baseado nas curvas características de potência ativa versus freqüência e potência reativa versus tensão. Essa malha utiliza a realimentação da própria variação da potência ativa para a geração do ângulo de carga da tensão de referência do inversor, quando o mesmo é conectado em paralelo com a rede elétrica. Como resultado as oscilações transitórias das potências ativa e reativa são melhor atenuadas, sem produzir efeitos colaterais indesejáveis tais como as variações de tensão e potência reativa presentes na utilização do PSS (Power System Stabilizer Estabilizador de Sistemas de Potência), outra técnica usada para melhorar o amortecimento do sistema, [Martins, M. P., 2004]. Um modelo dinâmico do sistema baseado na análise para pequenos sinais é apresentado. Gráficos do lugar das raízes, mostrando os pólos do sistema diante de variações paramétricas também são apresentados, permitindo a análise de estabilidade do sistema. Resultados de simulação e resultados experimentais utilizando-se um protótipo de laboratório, com e sem a malha de realimentação adicional são mostrados, os quais validam o modelo para pequenos sinais obtido. / Doutor em Ciências

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

Orientador: Prof. Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / Nesta pesquisa são propostos dois novos algoritmos de controle, operando a velocidade variável e robustos às variações nos parâmetros para um sistema eólico baseado no gerador de indução duplamente alimentado, cuja aplicação é realizada em condições normais de operação. Os controladores propostos são nomeados de Controle Direto de Potência (CDP) Deadbeat e do Controle Preditivo Generalizado com Horizonte Deslizante (CPG¿hd). O primeiro possui duas malhas de controle: uma para o desacoplamento do fluxo do estator e o controle das potências e a outra para o controle da corrente, essa malha é chamada de Deadbeat. O CDP calcula o vetor de tensão fornecido ao rotor a fim de garantir que a potência ativa e reativa atinjam seus valores de referência desejados. A dependência do algoritmo a parâmetros que tenham que ser sintonizados por meio de procedimentos heurísticos é nula quando é comparado com o controle Proporcional¿Integral ou Controle PI, sendo preciso somente calcular o coeficiente Gc. O segundo controlador, calcula os preditores para a corrente do rotor usando um horizonte de predição definido e assim obter as novas tensões do rotor que devem ser injetadas no sistema para controlar as potências ativa e reativa do estator com base nas equações do gerador. O CPG¿hd precisa de um parâmetro para sua sintonização chamado fator de peso do controlador, esse parâmetro faz parte da função de custo quadrática que deve ser minimizada, para obter um valor ótimo das tensões do rotor. Testes são feitos usando Matlab¿Simulink para os dois controladores operando sob condições normais de operação, ou seja: teste a velocidade fixa e teste a velocidade variável do rotor. Os mesmos testes são repetidos por meio de um protótipo de escala pequena disponível no LEPS . A dependência dos dois algoritmos às variações dos parâmetros foi também investigada, assim como a influência dos erros na estimativa desses parâmetros, obtendo-se um desempenho superior do controlador preditivo generalizado CPG¿hd sobre o CDP Deadbeat. / In this research two new control algorithms for a wind power system based on the Double Fed Induction Generator (DFIG) are proposed. The wind energy system is operating under normal conditions i.e. fixed rotor speed, variable rotor speed and under variations in DFIG parameters. The proposed controllers are named Direct Power Control (DPC) Deadbeat and Long¿range Generalized Predictive Control (GPC¿dq). The DPC calculates the sup- plied voltage vector to the rotor to ensure that the active and reactive power reaches their desired reference values. The algorithm dependence on parameters that have to be tuned by means of heuristic procedures is zero when its compared with the Proportional¿Integral (PI) Control, being necessary only estimate the Gc coeficient. The second controller evalu- ates the DFIG predictive rotor currents, using a defined long-range prediction horizon and thus obtain the new rotor voltages that have to be injected to controlling the active and reactive stator powers. The GPC¿dq needs a parameter for been tuned, this is called as a weighting factor and is a part of the quadratic cost function that has to be minimized, to obtain an optimal value of the rotor voltages. Tests are done using Matlab¿Simulink for the two controllers operating under normal operating conditions, ie: a fixed speed test and a variable rotor speed test. The same tests are repeated using a small scale prototype avai- lable in the LEPS. The dependence of the two algorithms on the parameter variations was also investigated, as well as the influence of the errors in the estimation of these parame- ters, obtaining a superior performance for the long¿range generalized predictive controller over the other one.